[发明专利]一种仿生纤维独石结构氮化硼高温自润滑材料及其制备方法

说明书

本发明仿生纤维独石结构氮化硼高温自润滑材料，由cBN（包括添加陶瓷粘接剂的cBN基复合材料）作为纤维胞体，同种不同相的hBN（包括添加陶瓷粘接剂的hBN基复合材料）作为界面层，其中cBN作为纤维胞体呈定向排列且被界面层分隔成独立的单元。cBN纤维胞体发挥其高承载作用，提高材料的强度；hBN弱界面润滑相起到润滑效果，同时通过诱导裂纹偏转、消解局部高应力及使裂纹尖端载荷重新分布等外部增韧机制来提高材料的韧性及服役可靠性。

技术领域

本发明涉及一种独石结构氮化硼高温自润滑材料，尤其涉及一种仿生纤维独石结构氮化硼高温自润滑材料，属于复合材料领域和自润滑材料领域。

背景技术

六方氮化硼（hBN）是一种典型的二维材料，其特殊的片层结构赋予了材料优异的自润滑性，且其较高的高温化学惰性及高温抗氧化性使之在空气中服役温度可达1000℃以上，因此是一种非常理想的高温固体润滑剂。而且，hBN质地轻软，密度仅为2.27g/cm³，具有良好的可加工性，可广泛用于机械装备的滑动部件及润滑密封件，且其高的导热系数也可满足滑动部件在高速运转时的摩擦热的散热需求。

制备高温自润滑复合陶瓷，利用hBN间片层的滑移实现材料的高温自润滑性能，同时陶瓷基体可促进hBN的烧结性能。现有技术（Journal of the European CeramicSociety，27（2007）1425-1430）以AlN作为基体，引入不同含量的hBN粉体，在1800℃烧结，制备了AlN-hBN陶瓷复合材料，随着引入hBN含量的增加，其相对密度和力学性能显著降低，当引入hBN含量达到20 vol%时，复合材料的相对密度和强度仅为86.2%和120MPa。据文献（Tribology International，154（2021）106748）报道，在ZrO₂中引入30vol%的hBN作为高温固体润滑剂和10 vol%的SiC粉体作为助剂制备的自润滑陶瓷复合材料，在室温至900℃范围内干摩擦条件下的摩擦系数为0.45。由于陶瓷本征的脆性，加之hBN较差的烧结性能，在基体中充当缺陷的角色，破坏了陶瓷基体的连续性，从而影响材料的承载能力，使得复合材料一经破坏便呈现出灾难性断裂特征，严重限制了其力学性能和服役可靠性及稳定性。因此，迫切需要开发兼具优异力学性能和高温自润滑性能的复合陶瓷材料，实现高可靠性且高耐磨性和优异自润滑性能的统一，以满足机械装备高速运转动密封部件对润滑、密封及高服役可靠性的需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述问题，提供一种兼具高温自润滑性能和优异服役可靠性的仿生纤维独石结构氮化硼高温自润滑材料及其制备方法。

本发明仿生纤维独石结构氮化硼高温自润滑材料的制备方法，由cBN作为纤维胞体，同种不同相的hBN作为界面层，其中cBN作为纤维胞体呈定向排列且被界面层分隔成独立的单元。cBN纤维胞体发挥其高承载作用，提高材料的强度；hBN弱界面润滑相起到润滑效果，同时通过诱导裂纹偏转、消解局部高应力及使裂纹尖端载荷重新分布等外部增韧机制提高材料的韧性及服役可靠性。

上述cBN纤维胞体是cBN基复合材料，可引入Si₃N₄、Al₂O₃、ZrO₂、Y₂O₃、AlN等陶瓷中的一种或几种作为粘接剂，以降低制备过程中的烧结温度，促进致密性。cBN纤维胞体的直径为400~800μm，纤维胞体中cBN颗粒尺寸为5~10μm。粘接剂含量为30wt%~60wt%。作为一种优选方案，cBN纤维胞体的配方为：50wt%cBN＋22wt%Si₃N₄＋10wt%Al₂O₃＋4wt%Y₂O₃＋14wt%AlN。